Curso Proteccion Sistemas de Potencia_s

Protección de Sistemas de PotenciaCapitulo I

Desarrollo del CursoTópicos a Desarrollar- Filosofía de los sistemas de protección- Principios de operación de los reles de protección- Protección de sistemas de distribución (fusibles, reles de

sobrecorriente, seccionalizadores)- Protección de líneas de transmisión (Distancia)- Esquemas de Teleprotección- Protección de transformadores de potencia- Protección de generadores

Capitulo 1Introducción y filosofía de los

sistemas de protección

Contenido1. Revisión de sistemas de potencia2. ¿Porque Proteger?3. ¿Causas y tipos de fallas? 4. Factores que influencian el diseño del sistema de

protección5. Aspectos generales del sistema de protección6. Zonas de Protección7. Clases y Tipos de Protección8. Consideraciones al aplicar protección9. Códigos ANSI



RevisiRevisióón de sistemas de potencian de sistemas de potencia


Sistema eléctrico interconectado Nacional-Predominantemente Radial

-Esta dividido en tres regionesÁrea NorteÁrea CentroÁrea Sur


Sistema eléctrico interconectado Nacional- Máxima demanda (4079 MW)-Generación Hidráulica, gas, diesel, carbón

Por su característica:-Congestión-Oscilaciones de potencia-Sobretensiones-Resonancia a frecuencia industrial-Etc



¿¿Porque Proteger?Porque Proteger?

LA PROTECCION ES INSTALADA PARA:Detectar la ocurrencia de una falla y aislar el equipo fallado

Por lo que:•Se limita el daño al equipo fallado•La interrupción de cargas adyacentes es minimizada, los daños en los equipos no fallados es minimizado

PROTECCION = SEGURO CONTRA DAÑOS DE FUTURAS FALLAS

“Todos los sistemas de potencia experimentan fallas”


RIESGOS

DAÑO DEL EQUIPO FALLADO-Excesivo flujo de corriente (rotura de conductores, etc)-Daños en bobinados-Arcos que deterioran el aislamiento-Riesgo de explosión

DAÑO AL EQUIPOS ADYACENTES-Perdida de carga (Cargas Mineras)-Deterioro de equipos


RIESGOS

DAÑO A LAS PERSONAS-Corrientes de Toque y Paso-Humos tóxicos generados por quemadura de aislantes-Contacto eléctrico directo-Quemaduras, etc

DAÑO AL SISTEMA-Perdidas de sincronismo-BlackOuts (Apagones)

OSCI LOGRAFÍ A EN LÍ NEA L104 - S.E. CHI MBOTE 1

f = 3.2 Hz

f = 2.1 Hz (modo local de oscilación)

(modo inestable de oscilación)


OSCI LOGRAFÍ A EN LÍ NEA L104 - S.E. CHI MBOTE 1

f = 3.2 Hz


(modo inestable de oscilación)



EN RESUMEN

LA PROTECCION DEBE-Detectar fallas y condiciones de operación anormales-Aislar el equipo fallado

Además-Limitar el daño causado por la energía de la falla-Limitar el efecto en el resto del sistema

Contenido1. Revisión de sistemas de potencia2. ¿Porque Proteger?3. ¿Causas y tipos de fallas?4. Factores que influencian el diseño del sistema de


Causas y tipos de fallasCausas y tipos de fallas

• Descargas atmosféricas• Vientos (Paracas)• Hielo y nieve• Objetos voladores ( Cometas,

instaladores de cable)• Contaminación de aisladores• Animales (Aves, ratas, etc)• Error Humano• Árboles• Edad de aislamiento• “Los dueños de lo ajeno”


• “Los dueños de lo ajeno”• Excavaciones• Sobrecarga• Deterioro del aislante• Edad

Fallas en cables de potenciaFallas en cables de potencia


• “Los dueños de lo ajeno”• Descargas Atmosféricas• Árboles• Contaminación

LLííneas de transmisineas de transmisióónn


• Daño mecánico• Cargas desbalanceadas• etc

Generadores y MotoresGeneradores y Motores


Falla Monofásica

TIPOS DE FALLASTIPOS DE FALLAS

Falla Bifásica a tierra


Falla Bifásica


Falla Trifásica



Cross Country fault


Tensiones y corriente durante la fallaTensiones y corriente durante la falla

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232IR/kA

-1,0

-0,5

0,0

0,5

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232IS/kA

-1,0

-0,5

0,0

0,5

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232IT/kA

-1,0

-0,5

0,0

0,5

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232IN/kA

-1,0

-0,5

0,0

0,5

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232VR/KV

-200

-100

0

100

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232VS/KV

-200

-100

0

100

t/s-0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

L232VT/KV

-200

-100

0

100


Tensiones y corriente durante la fallaTensiones y corriente durante la falla

T rigger25/07/02

06:06:37 p ..800

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

U1/kV

-200

-100

0

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

I1/A

-500

0

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

U2/kV

-200

-100

0

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

I2/A

-500

0

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

U3/kV

-200

-100

0

t/s-0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

I3/A

-500

0

Z1 Z2 Z3 Z5 Z L1E*

R/Ohm(Primary)

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

X/O

hm

(Prim

ary

)

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300



Factores de diseFactores de diseññoo

• EL TIPO DE FALLA, O TIPO DE CONDICION ANORMAL• LAS CANTIDADES MEDIBLES (tensión, corriente, frec, etc)• EL TIPO DE PROTECCIÓN DISPONIBLE• VELOCIDAD• LA DISCRIMINACION DE LA UBICACIÓN DE FALLA• LA DEPENDABILIDAD (DEPENDABILITY)• LA SEGURIDAD• TRASLAPO• LA DISCRIMINACION DE FASES Y SELECTIVIDAD• TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION• LOS SERVICIOS AUXILIARES• LA PROTECCION DE RESPALDO (REMOTO Ó LOCAL)• COSTO• DUPLICACION DE EQUIPOS DE PROTECCION

Factores de diseFactores de diseññoo

• Tecnología de los reles de protección



Aspectos del sistema de protecciAspectos del sistema de proteccióónn

• CONFIABILIDAD

• VELOCIDAD

• SELECTIVIDAD

• SIMPLICIDAD


• CONFIABILIDAD•Seguridad Dependabilidad


• CONFIABILIDAD•Seguridad Dependabilidad


• CONFIABILIDAD

Dependabilidad

- La protección debe operar cuando sea requerida de operar

- Si no opera la falla puede ser extremadamente dañina

- Si las fallas son raras: La protección debe operar aún después de años de inactividad

- Se mejora con el uso de respaldos ó duplicación de protecciones


• CONFIABILIDAD

Seguridad

- La protección no debe operar cuando no sea requerida ejm:

-Fallas en otras partes del sistema-Oscilaciones estables


• VELOCIDAD

“Cada milisegundo importa”


• VELOCIDAD

PROTECCION RAPIDA (> 100ms)- Minimiza el daño ó Peligro

PROTECCION ULTRA RAPIDA (< 100ms)- Minimiza la inestabilidad del sistema- Es contraria a la selectividad y confiabilidad


• VELOCIDAD


“La protección es arte y ciencia”

Confiabilidad

Selectividad Velocidad



Zonas de ProtecciZonas de Proteccióón n ¿¿DDóónde es la falla?nde es la falla?

• El sistema de potencia se divide en zonas de protección

• La protección debe aislar la zona fallada ó el equipo fallado (selectividad)


Protección de línea

Protección de barraProtección de barra

Protección de Generador

Protección de Motor

Protección de Generador y transformador


Traslapes de Zonas de protección


¿En que fase fue la falla?- Discriminación de fase

•La protección debe detectar la fase fallada correctamente

•Importante para aplicaciones de disparo monofásico y recierre monofásico

Para que no se duermanPara que no se duerman

Ejemplo 1: Seguridad/Dependabilidad

•En el sistema se tiene relés direccionales Rx•Los interruptores están marcados como Bx•Ocurre una falla F


Ejemplo 1: Seguridad/Dependabilidad

•Como resultado operan los relés R1, R2 y R4

¿Qué perdió el relé R4? Seguridad? Ó Dependabilidad?

El relEl reléé R4 perdio R4 perdio ““SeguridadSeguridad””, actuo cuando no debia, actuo cuando no debia


Ejemplo 2: Selectividad

•En el sistema mostrado ocurre una falla•Como resultado operan los interruptores B3, B2, B4, B1•No hubo perdida de Seguridad ni dependabilidad

¿Dónde fue la falla?


Ejemplo 2: Selectividad

La falla fue en la zona de traslapo, probablemente en el La falla fue en la zona de traslapo, probablemente en el interruptor B2interruptor B2

CostoCosto

- El costo del sistema de protección es equivalente a una poliza de seguro contra daños a los equipos, perdida de suministro y calidad del suministro.

- Un costo aceptable se basa en un balance entre la economía y factores técnicos. El costo debe ser balanceado contra el costo de potenciales daños

- Siempre hay un limite económico

MINIMO COSTO: debe asegurar la falla en el equipos debe ser aislMINIMO COSTO: debe asegurar la falla en el equipos debe ser aislado ado por su proteccipor su proteccióónn

CostoCosto

¿Qué costos se debe tomar en cuenta?

- relés, paneles, cableado- Estudios de coordinación- Pruebas y puesta en servicio- TCs y TTs- Costos de Mantenimiento y reparación- Costos de reparación ( si falla durante su

funcionamiento)

CostoCosto

SISTEMAS DE DISTRIBUCION

- Gran numero de puntos de distribución, transformadores, alimentadores

- Economía > Aspectos técnicos- Protecciones mínimas- Menos veloces que en sistemas de transmisión- Protección de respaldo simple- Aunque es importante, las consecuencias de una mala

operación o falla de operación es menos seria que en un sistema de transmisión

CostoCosto

SISTEMAS DE TRANSMISION Y GENERACION

- Consideraciones técnicas > Económicas- La economía no puede ser ignorada es de importancia

secundaria- Altos costos de la protección se justifica por altos costos

de equipamiento- Se deben considerar la calidad de suministro- Se deben usar respaldo para mayor confiabilidad- Se debe usar disparos monofásicos y recierres para

mantener la estabilidad del sistema

COSTO: Reles numericosCOSTO: Reles numericos



TIPOS DE PROTECCIONTIPOS DE PROTECCION

FUSIBLESUsados en redes de bajo voltaje, alimetadores y transformadores

de distrbución, TTs, servicios auxiliares.

EQUIPOS DE ACTUACION DIRECTAReclosers, etc.

SOBRECORRIENTE DE FASES Y TIERRAUsado en todos los sistemas de potenciaPueden ser direcionales ó no direccionalesPuede depender de la tensión


DIFERENCIALLíneas de transmisión, barras, transformadores de potencia,generadores, etc.- Alta impedancia- Baja impedancia- Por hilo piloto- Digitales, etc

DISTANCIALíneas de Transmisión y subtransmisión, alimentadoresComo respaldo de transformadores y generadores

COMPARACION DE FASE Y COMPARACION DIRECCIONAL

Líneas de transmisión


OTROS

Mínima frecuencia,SobrefrecuenciaMínima tensiónSobretensiónSobrecargaRelé de recierreControl de tomas bajo cargaRelés de disparo (86) y relés auxiliaresEtc

CLASES DE PROTECCIONCLASES DE PROTECCION

PROTECCIONES SISTEMICAS- Esquemas de rechazo de Carga- Esquemas de rechazo de generación- Fasores sincronizados


PROTECCIONES SISTEMICAS- AGR (Esquema de rechazo de generación)

G

G

G

G

SEIN

CHICLAYO

GUADALUPE

TRUJILLO

L-215 L-213

PARAMONGA

TINGO MARIA

CARHUAQUERO

CANON DEL PATO

AGUAYTIA

VIZCARRA

MALACAS

HUANUCO

L-121

L-253

L-234

G

G

G

G

SEIN

CHICLAYO

GUADALUPE

TRUJILLO

L-215 L-213

PARAMONGA

TINGO MARIA

CARHUAQUERO

CANON DEL PATO

AGUAYTIA

VIZCARRA

MALACAS

HUANUCO

L-121

L-253

L-234


PROTECCIONES SISTEMICAS- FASORES SINCRONIZADOS


PROTECCIONES SISTEMICAS- FASORES SINCRONIZADOS



Consideraciones importantesConsideraciones importantes

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION

- Son parte esencial del esquema de protección, reducen las corrientes y voltios primarios a nivels bajos adecuados para losrelés de protección.

- Estos deben ser especificados para amntener los requerimiento de los equipos de protección

- La correcta conexión de los TCs y TTs es importante para los relés de protección (direccional, distancia, comparasión, diferencial)

- Los transformadores de tensión pueden ser capacitivos óinductivos

- En Alta tensión se necesita TTs en las barras (sincronimos, etc)


TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION

- Nunca abrir un circuito secundario de un TC, por lo que nunca se deben usar fusibles en los circuitos de corriente

- Los secundarios de los transformadores de tensión deben protegerse con fusibles ó MCB

- Se deben usar borneras de pruebas (para ambos TC y TT), permite realizar pruebas a los relés

- Aterrar los circuitos secundarios de los TTs y CTs


SERVICIOS AUXILIARES

- Son requeridos para los circuitos de apertura y cierre de los interruptores

- En Baja tensión y media tensión existen servicios auxiliares de CA.

- En alta tensión los servicios auxiliares son en CC.- La corriente continua en Servicios auxiliares es mas confiable

que la alterna ( 2 bancos de Baterías, 2 rectificadores).- Los circuitos de CC son inmunes a los efectos en alta tensión


CONTACTOS DE SALIDA

NO: Normalmente abiertos (cerrados cuando están energizados)NC: Normalmente cerrados (cerrados cuando están

desenergizados)



CODIGOS ANSICODIGOS ANSI21: Relé de distancia25: Relé de sincronismo27: Relé de mínima tensión30: anunciador32: Relé direccional de potencia37: Mínima potencia y mínima corriente46: relé de secuencia negativa49: relé térmico50: Relé de sobrecorriente instantaneo51: Relé de sobrecorriente temporizado50/51N : Relé de sobrecorriente de tierra (inst, temp)50BF: Relé de falla interruptor52: Interruptor59: Sobretensión60: relé de balance de tensión y corriente

CODIGOS ANSICODIGOS ANSI64: Relé de falla a tierra (Tensión homopolar)67/67N: Relé direccional de fases/tierra79: Relé de recierre81: Relé de frecuencia85: Relé de envío y recepción86: Relé de bloqueo y disparo87: Relé diferencial87T: Diferencial de transformador87B: Diferencial de barra87G: Diferencial de generador87L: Diferencial de línea

Capitulo IIProtección de Sistemas de Potencia



Capitulo 2Principios de operación de los

reles de protección

Contenido

1. Herramientas para los ingenieros de Protección I2. Elementos de un sistema de protección3. Herramientas para los ingenieros de Protección II4. Principios de operación de los reles de

protección

Contenido

1. Herramientas para los ingenieros de Protección I2. Elementos de un sistema de protección3. Herramientas para los ingenieros de Protección II4. Principios de operación de los reles de protección

Herramientas para los Ingenieros de ProtecciHerramientas para los Ingenieros de Proteccióón In I

BaseTensionVBasePotenciaS

B

B

==

Valores en por unidad en sistemas monofásicos

A partir de estos valores podemos calcular la corriente base y la impedancia base

Ω==

=

B

B

B

BB

B

BB

SV

IVZBasepedancia

AVSIBaseCorriente

2

Im


pupuBBBB

pu

pupuBBBB

pu

jxrZXj

ZR

ZjXR

ZZz

jqpSQj

SP

SjQP

SSs

+=+=+

==

+=+=+

==

Valores en por unidad en sistemas monofásicos

Para Cambiar de` base

puSS

VVZZ

Ba

Bn

Bn

Baan ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2


LNBLLBBB VVSS −−Φ−Φ− == 3;3 13

Valores en por unidad en sistemas trifásicos

A partir de estos valores podemos calcular la impedancia de base, y la corriente de base

Φ−

Φ−Φ−

Φ−

−Φ− ==

3

33

3

2

3 3;

B

BB

B

LLBB V

SISVZ


pupuBBB

pu

pupuBBB

pu

jxrZ

XjZ

RZ

Zz

jqpSQj

SP

SSs

+=+==

+=+==

Φ−Φ−Φ−

Φ−

Φ

Φ−

Φ

Φ−

Φ

333

3

3

3

3

3

3

Valores en por unidad en sistemas trifásicos

Para convertir los valores de pu a valores de sistema(I pu) (I base) = I A(V pu)(V base) = V V(P pu)(S base) = P W(Q pu)(S base) = Q var


Valores en por unidad en sistemas trifásicos: Ejm

Generador : 15MVA, 13.8kV, X = 0.15 puMotor : 10MVA, 13.2kV, X = 0.15 puT1 : 25MVA, 13.2-161kV, X = 0.10 puT2 : 15MVA, 13.8-161kV, X = 0.10 puCarga : 4MVA, Cosφ = 0.8 ind

Encuentre los valores en pu para Vbase = 161kV, Sbase=20MVA

G MCargaT1 50+j100 T2

ΔΥ ΥΔ


Calculo de fallas simétricas en sistemas de potencia. Ejm 1

60kVSkss = 1000 MVA

10 MVA6 %

10kV

Paso 1: Calculo de los valores Base

Sbase = 100 MVAVbase = 60kV

Zbase = Vbase²/Sbase= 60kV²/100 MVA = 36 Ω

Ibase = Sbase / (√3 Vbase)= 100 MVA / (√3 60kV)= 0.96 kA = 960 A

¿Calcular la corriente de falla?


60kVSkss = 1000 MVA

10 MVA6 %

10kV

Paso 2: Calculo de las Z en pu

ZTpu = Zt x Sbase_nSbase_a

= 0.06 x 100/10 = 0.6 pu

Zspu = Sbase_n x Vbase_aSbase_a Vbase_n

Zspu = (100 * 60)/(1000 * 60)= 0.1 pu

Zpu_total = 0.6 pu + 0.1 pu= 0.7 pu



60kVSkss = 1000 MVA

10 MVA6 %

10kV

Paso 3: Calculo de la I de falla en pu

Ifpu = Vpu Zpu_total

= 1.0 / 0.7 = 1.43 pu

Ifalla HV = Ifpu x Ibase= 1.43 x 960 A= 1372 A

Ifalla LV = Ifalla HV x 60kV/10kVIfalla LV = 8232 A



60kVSkss = 1000 MVA

10 MVA6 %

10kV

Paso 1: Calculo de los valores Base



G

10MVAX”d = 0.1

Lado 60kVZTpu = 0.6 pu

Zspu = 0.1 pu

Lado 10kVZgpu_n = Zgpu_a x Sbase_n/ Sbase_a

= 0.1 pu x (100/10)= 1 pu

Sbase = 100 MVA


Paso 2: Calculo de impedancias equivalente



Zspu =0.1 pu

ZTpu =0.6 pu

G 1.0 pu

ZGpu =1.0 pu

Zeq_pu = (0.7 x 1.0) / (0.7 + 1)= 0.41

Ifpu = Vpu = 1.0 /0.41 = 2.43 pu Zpu_total

Ifalla HV = Ifpu x Ibase= 2.43 x 960 A= 2332.8 A

Ifalla LV = Ifalla HV x 60kV/10kVIfalla LV = 13996.8 A

Contenido


ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCION

INTERRUPTOR TRANSDUCTOR (TC ó TT)

RELEFUENTE DC (BATERIA)

Transductor : Transforma la corriente ó tensión de niveles valores primarios a secundarios.Relé : Encargado de procesar la información del tranductor y determinar una condición de falla ó anormalInterruptor : Encargado de aislar el circuito falladoFuente DC: Alimentación del relé y circuitos de mando del interruptor


LOS INTERRUPTORES: definición

Un Interruptor es definido en estándar ANSI como un equipo de maniobra mecánico, capaz de conducir é interrumpir corrientes bajo condiciones normales. También capaz de conducir é interrumpir corrientes bajo condiciones anormales especificas como cortocircuitos.


LOS INTERRUPTORES: Requerimientos Generales

-Debe ser un conductor perfecto cuando esta cerrado-Debe ser un aislante perfecto cuando esta abierto-Debe ser rápido al cierre-Debe ser rápido a la apertura

Requerimientos desde el punto de vista de protección

-Debe se capaz de interrumpir grandes corrientes.


LOS INTERRUPTORES: Clasificación (por el medio de extinción del arco)

-Aire-Aceite-SF6-Vacío








LOS INTERRUPTORES: Clasificación de los interruptores de HV

TANQUE VIVOTANQUE MUERTO


TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y TENSION

La función de los transformadores de tensión y corriente es llevar los valores de alta tensión (PRIMARIOS) a niveles bajos por razones de seguridad (SECUNDARIOS)

- Por el tamaño de los equipos de protección y medida (1A, 100V)

- Estandarizados para fácil intercambio de los mismo

CTs (5 y 1 Amperio)VTs (100 V, 110V, 120V fase-fase)


TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Tipo Bushing (BUJE)

- Baratos- Deben ser construidos en el bushing- No es posible en Interruptores de tanque vivo- Tienen menos precisión por su tamaño

Stand-Alone- Es mas caro- Es mas preciso



CLASE DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

- Comportamiento en estado estacionario IEC44-1De acuerdo al estandar IEC44-1, la designación de los CT’s para propositos de protección empiezan con el maximo errór combinado (5 ó10%) a la corriente de cortocircuito limite, luego la letra “P” (Para protección) y finalmente el factor limite de precisión (FLP).

Dos clases de precisión son definidas

Clase dePresición

Error de corrientea la corriente IN

Error de angulo δa la corriente IN

Error combinadoFLP*IN

5P ±1% ±60 minutos 5%

10P ±3% 10%



En general un transformador de corriente para protección es determinado por la siguiente información

Relación de transformación: Iprimario/Isecundario Ejm. 600/1, 400/1, 600/5

Potencia PN: Potencia definida por el CT en el lado secundario a una corriente definida y carga definida(burden) Ejm: 30VA

Clase de Presición: 5P ó 10P

Factor limite de precisión: Es un multiplo del ratio de corriente, sin componente DC, que puede ser transformada por el CT con la clase de precisión definida, si la carga conectada es la carga definida (burden)Con grandes corrientes el CT se satura y distorsiona la corriente secundaria.



““El factor limite de precisiEl factor limite de precisióón(FLP n(FLP óó AFL) del CT solo aplica cuando la carga AFL) del CT solo aplica cuando la carga nominal del CT es conectada nominal del CT es conectada ““



Desempeño de un Transformador de Corriente (En Estado Estacionario)Reflejando al secundario



Desempeño de un Transformador de Corriente (En Estado Estacionario)DIAGRAMA FASORIAL DE UN TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

Zm es mayor si la bobina es mayor ==> Im es pequeña y el error es pequeño

Zm es pequeña si la bobina es pequeña ==> Im aumenta y el error aumenta



Desempeño de un Transformador de Corriente (En Estado Estacionario)TRANSFORMADORES DE CORRIENTE MULTI-RATIO

Zm = Em/Im => No lineal

Es mejor cuando se usa el Tap mayor.



Desempeño de un Transformador de Corriente (En Estado Estacionario)RESOLVIENDO UN PROBLEMA NO-LINEAL




Asumiendo Zm líneal

I2 = I1 - Im

Donde Im = Em/Zm

- Si Im es “0”, no hay error de transformación, y el TC es perfecto

- Cuanto mas pequeño sea el valor de Em, menor será el error de corriente

- Si el CT trabaja en un corto circuito, este brinda su mejor desempeño.




El factor de corrección de relación “R” es definido como

R = I1/I2

- La relación de transformación de placa del CT debe ser multiplicado por “R” paraobtener la relación del transformación efectiva.

- Aunque “R” puede ser compleja, es generalmente asumida como real, y essiempre mayor que 1.



¿Qué pasa si selecciono mal el transformador de corriente?

-100

-50

0

50

100

150

-0.017 0.000 0.017 0.033 0.050 0.067 0.083 0.100 0.117 0.133 0.150


TRANSFORMADOR DE TENSION

TRANSFORMADORES INDUCTIVOS- Son mas precisos- Son mas caros- Son similares a un transformador de

potencia

TRANSFORMADORES CAPACITIVOS- Son mas comunes en HV- Son menos precisos



Tipo Bushing

Stand-Alone


TRANSFORMADOR DE TENSIONCircuito Equivalente y Desempeño en Estado Estacionario

)(12

21 CCLf

+=π

Ld es una bobina que se usa para bloquear la señal de onda portadora (PLC)

L y (C1 + C2) resuenan a la frecuencia industrial


El transformador de tensión inductivo no tiene errores significativos en estado estacionario o transitorio

- El transformador de tensión capacitivo no tiene errores significativos en estado estacionario cuando la inductancia es sintonizada con (C1 + C2)

- Sin embargo la sintonia no puede ser mantenida bajo condicionestransitorias, y los errores transitorios del CVT tienen que ser considerados en protección



EL RELE


NATURALEZA DE LOS RELES DE PROTECCION

- Detecta condiciones anormales en el Sistema de Potencia

- Inicia acciones correctivas

- El tiempo de Respuesta es en milisegundos

- No requiere intervención de un operador


DISEÑO DE RELES

El propósito de los relés de protección es detectar fallas ó condiciones de operación anormales

- Nivel

- Magnitud

- Diferencial

- Angulo de Fase

- Impedancia (Distancia)

- Hilo Piloto

- Armónicos y Frecuencia


CONSIDERACIONES DE RELES

Protección Primaria y de Respaldo:

Protección Primaria DuplicadaRespaldo Remoto y Local

Para una falla “F” en la línea ABR1, R5 : Relés primariosR2 : Relé Primario DuplicadoR3 : Relé de Respaldo LocalR4, R9, R10 : Relés de Respaldo Remoto

Contenido


Herramientas para los Ingenieros de ProtecciHerramientas para los Ingenieros de Proteccióón IIn II

Componentes Simétricas

Charles Fortescue (1918) Componentes Simétricas

DefiniciónConjunto de fasores que tienen igual magnitud, pero están desfasados 120°

ObjetivoDescomponer un conjunto de tres fasores asimétricos en:-Un conjunto asimétrico de 3 fasores pero iguales en magnitud-Dos Conjuntos simétricos de 3 fasores

Luego se puede analizar cada conjunto individualmente y usando el método de superposición obtener el resultado



Secuencia ceroVa0 = Vb0 = Vc0Fasores en fase

Secuencia PositivaVa1 = Vb1 = Vc1Fasores desfasados 120° (abc)

Secuencia NegativaVa2 = Vb2 = Vc2Fasores desfasados 120° (acb)



Va = Va0 + Va1 + Va2 Definimos el operador Vb = Vb0 + Vb1 + Vb2 α = 1<120°Vc = Vc0 + Vc1 + Vc2 α² = 1<-120°

Como Va0 = Vb0 = Vc0

Va1 = Va1; Vb1 = α² Va1; Vc1 = α Va1Va2 = Va2; Vb2 = α Va2; Vc2 = α² Va2

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

2

1

0

2

2

11

111

a

a

a

c

b

a

VVV

VVV

αααα

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

2

2

11

111

ααααA



⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

2

2

11

111

ααααA

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

2

1

0

a

a

a

c

b

a

VVV

AVVV

Calculando la inversa de AA

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

c

b

a

a

a

a

VVV

AVVV

1

2

1

0

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=−

αααα

2

21

11

111

31A


La impedancias de secuencia: Un poco de Gimnasia Matemática

Consideremos una carga balanceada que esta aterrada a través de una impedancia Zn

Ia

Ib

IcVag

Vbg

Vcg

ZYZY

ZY Zn

nnaYag IZIZV +=

nnbYbg IZIZV +=

nncYcg IZIZV +=

Incban IIII ++=

Además



Reemplazando In

( )cbanaYag IIIZIZV +++=( )cbanbYbg IIIZIZV +++=( )cbancYcg IIIZIZV +++=

( ) bnananYag IZIZIZZV +++=

( ) cnbnYanbg IZIZZIZV +++=

( ) cnYbnancg IZZIZIZV +++=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

++

+=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

c

b

a

nYnn

nnYn

nnnY

cg

bg

ag

III

ZZZZZZZZZZZZ

VVV

Escribiendo en forma matricial

abcabcabc IZV =



Sabemos la ecuación de fase es:

Podemos obtener la ecuacion (ii) a partir de la ecuación (i)

abcabcabc IZV =

SSS IZV =

abcabcabc IZV =

De igual forma tenemos

……(i)

…….(ii)

Vabc=A VS y Iabc = A IS



Entonces obtenemos: multiplicamos por A-1

SabcS IAZVA = SabcS IAZAVAA 11 −− =

SabcS IAZAV 1−=

Luego obtenemos

AZAZ abcS1−=

De donde obtenemos la matriz impedancia de secuencias



Desarrollando la Matriz Zs

Multiplicando las dos matrices de la derecha

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

++

+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

= −

2

2

2

2

1

11

111

11

111

31

αααα

αααα

nYnn

nnYn

nnnY

abcS

ZZZZZZZZZZZZ

AZAZ

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

+++

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

YYnY

YYnY

YYnY

S

S

S

S

ZZZZZZZZZZZZ

ZZZ

Z2

2

2

2

2

1

0

333

11

111

31

αααα

αααα



La matriz de impedancia de secuencias será:

Finalmente obtenemos

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ +=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ +=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

Y

Y

nY

Y

Y

nY

S

S

S

S

ZZ

ZZ

ZZ

ZZ

ZZZ

Z00

00003

3000300093

31

2

1

0

SSSabcS IZIAZAV == −1



Analizando un poco los resultados

OJO: Todos los términos fuera de la diagonal son “cero”

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ +=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

2

1

0

2

1

0

0000003

a

a

a

Y

Y

nY

ag

ag

ag

III

ZZ

ZZ

VVV

¿Qué Significa?

1) La corriente que determina el voltaje de secuencia cero es la corriente de secuencia cero

2) La corriente que determina el voltaje de secuencia positiva es la corriente de secuencia positiva

3) La corriente que determina el voltaje de secuencia negativa es la corriente de secuencia negativa



Podemos llamar a las secuencias 0, 1, 2 como 0, +, - respectivamente

( )

−−

++

=

=

+=

aYag

aYag

anYag

IZV

IZV

IZZV 00 3

Lo mas importante de estas 3 ecuaciones es que ellas representan 3 ecuaciones de circuito monofásicos (Circuitos I)

Red de secuencia Cero

Red de secuencia negativa

Red de secuencia positiva

→−aI

→+aI

→0aI

ZY

3Zn

Z0=ZY+3Zn

ZY YS ZZ =+

ZY YS ZZ =−−

aV

+aV

0aV


La impedancias de secuencia: Preguntas Interesantes

1) ¿Porque la impedancia de secuencia 0, no aparece en la red de secuencia positiva y negativa?

2) ¿Porque tenemos 3Zn como impedancia de secuencia cero, en vez de Zn?

3) ¿Como se compararían esta redes el neutro esta solidamente aterrado Zn =0?

4) ¿Cómo son las tres redes de secuencia si el neutro no esta aterrado?



6) ¿Qué pasa si la carga, ó Carga-Linea no es simétrica?

Toda carga trifásica puede ser representada por la matriz

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

ccbcac

bcbbab

acabaa

abc

ZZZZZZZZZ

Z

AZAZ abcS1−=Sabemos:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

==−+−−

−+++

−+

−

2

2

2

2

0

0

000

1

11

111

11

111

31

αααα

αααα

ccbcac

bcbbab

acabaa

SSS

SSS

SSS

abcS

ZZZZZZZZZ

ZZZZZZZZZ

AZAZ




Toda carga trifásica puede ser representada por la matriz

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

ccbcac

bcbbab

acabaa

abc

ZZZZZZZZZ

Z

AZAZ abcS1−=Sabemos:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

==−+−−

−+++

−+

−

2

2

2

2

0

0

000

1

11

111

11

111

31

αααα

αααα

ccbcac

bcbbab

acabaa

SSS

SSS

SSS

abcS

ZZZZZZZZZ

ZZZZZZZZZ

AZAZ




( )bcacabccbbaaS ZZZZZZZ 222310 +++++=

( )bcacabccbbaaSS ZZZZZZZZ −−−++== −+

31

( )bcacabccbbaaSS ZZZZZZZZ −−−++== −+ 2200

31 αααα

( )bcacabccbbaaSS ZZZZZZZZ −−−++== +− αααα 2200

31

( )bcacabccbbaaS ZZZZZZZ 22231 22 +++++=−+ αααα

( )bcacabccbbaaS ZZZZZZZ 22231 22 +++++=+− αααα

Pero para que las tres redes de secuencia se desacoplen los elementos fuera de la diagonal deben ser 0




Para que se cumpla la condición que todos los elementos fuera de la diagonal son “0”, resolviendo se obtiene:

ccbbaa ZZZ ==

bcacab ZZZ ==

Finalmente obtenemos lo siguiente

00000 ====== +−−+−−++SSSSSS ZZZZZZ

abaaS ZZZ 20 +=

abaaSS ZZZZ −== −+


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CS

Fallas en sistemas trifásicos simétricos (excepto falla 3Φ) son sistemas no simétricos.

¿Podremos aplicar los aprendido en la clase anterior para fallas ΦN, Φ Φ , Φ Φ N?

Rpta: SI

Reemplazamos la falla con una fuente desbalanceada (teoremade la sustitucion), entonces la red se vuelve simetrica.Obtenemos las componentes de secuencia de la fuente (ficticia) desbalanceada en el punto de falla, y se realiza un análisis por fase para cada circuito.


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSObtención de las redes de secuencia

Para obtener las redes de secuencia, y analizar una condición de falla seguimos la siguiente secuencia:

1) Para la secuencia +, -, 01.a)Desarrollar la red de secuencia para el sistema en análisis1.b)Obtener los thevenin equivalentes mirando hacia la red desde

el punto de falla

2) Conecte las redes de acuerdo al tipo de falla3) Calcule las corrientes de falla del circuito resultante de (2)4) Del paso (3) se puede obtener tambien las corrientes de todas

las secuencias +,-,0, lo cual nos permite calcular Ia, Ib, Ic


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de cargas

Z0 =ZY+3ZnZ+ =ZYZ- =ZY

Si la carga esta conectada en delta

Z0 =∞Z+ = ZΔ/3Z- = ZΔ/3

Zero sequence network

Negative sequence network

Positive sequence network

→−aI

→+aI

→0aI

ZY

3Zn

Z0=ZY+3Zn

ZY Z+ =ZY

ZY Z- =ZY −

aV

+aV

0aV


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de cargas (Carga D y Yn) en paralelo

Carga Y

Z0 =ZYZ+ =ZYZ- =ZY

Carga D

Z0 =∞Z+ = ZΔ/3Z- = ZΔ/3 Z-

=ZY//ZΔ/3

Z+ =ZY//ZΔ/3




→−aI

→+aI

→0aI

ZY Z0

=ZY

ZY

ZY −aV

+aV

0aV

ZΔ/3

ZΔ/3


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de Lineas de transmisión

→0aI

Z+ =Zaa-Zab




→−aI

→+aI

Z0

Z0 =Zaa+2Zab

−aV

+aV

0aV

Z+

Z-

Z- =Zaa-Zab

00000 ====== +−−+−−++SSSSSS ZZZZZZ

abaaS ZZZ 20 +=

abaaSS ZZZZ −== −+

En una línea de transmisióngeneralmente Zab≈(2/5)Zaa.

Entonces : Z0=3Z+.Z0=3Z+.


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de Transformadores de potencia

Analizaremos los siguientes casos:

a)a) YY aterrado a Y Y aterrado : YnYnb)b) YY aterrado a YY : YnY YnY óó YY a YY aterrado : YYnYYnc)c) ΔΔ a ΔΔd)d) YY aterrado a ΔΔ ó ΔΔ a YY aterradoe)e) YY a ΔΔ ó ΔΔ a YY

Importante: Importante: En un transformador de potencia En un transformador de potencia Z+ = ZZ+ = Z--Zo = Z+ (En algunos casos puede ser Zo = 0.8 Z+)Zo = Z+ (En algunos casos puede ser Zo = 0.8 Z+)



YY aterrado a Y Y aterrado : YnYn

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

Z+

Z-



YY aterrado a YY : YnY YnY óó YY a YY aterrado : YYnYYn

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

Z+

Z-



ΔΔ a ΔΔ0aI




→−aI

→+aI

−aV

+aV

0aV

Z+

Z-

Z0



YnYnΔΔ ΔΔYnYn

°∠30:1

°−∠ 30:1

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

ωωω

ωωω

ωωω

ωωω

Z-

Z+

Low side

Low side

ωωω

°∠30:1

°−∠ 30:1

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

ωωω

ωωω

ωω

ω

Z-

Z+

Low side

Low side

→0AI



YYΔΔ ΔΔYY

°∠30:1

°−∠ 30:1

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

ωωω

ωωω

ωωω

ωωω

Z-

Z+

Low side

Low side

ωωω

°∠30:1

°−∠ 30:1

→0aI




→−aI

→+aI

Z0

−aV

+aV

0aV

ωωω

ωωω

ωω

ω

Z-

Z+

Low side

Low side

→0AI


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de Maquinas Rotativas

Reactancia de secuencia positiva: En fallas se usa X”d, X’d ó Xd; dependiendo en que tiempo calculemos el cortocircuito.Reactancia de secuencia negativa: Las corrientes de secuencia negativa originan un flujo en el entrehierro que rotan opuestas al rotor, las corriente inducidas pueden originar sobrecalentamientos ya que se oponen al flujo original.En nuestro caso la reactancia de secuencia negativa es igual a X”d

Reactancia de secuencia cero: La reactancia de secuencia cero de una maquina es pequeña. La razón es que las corrientes de secuencia cero en los bobinados a,b,c estan en fase. Su flujo individual en el entrehierro suma cero y por lo tanto no induce voltaje. A esta reactancia la llamaremos Zg0

Como en la cargas, si el neutro esta aterrado a través de una impedancia Zn, esta se modelara como 3Zn en la red de secuencia cero.


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSRedes de secuencia de Maquinas Rotativas

Fuente de Voltaje: Los generadores producen voltajes balanceados, solo producen voltaje en la secuencia positiva. Si trabajamos en por unidad este será 1.0<0°

→0aI




→+aI

+aV

0aV

Z+

Z0

+ Ean -

→−aI −

aV Z-

0.160.090.110.05X0

0.350.270.290.13X-

0.300.250.240.12X’’d

0.350.40.370.23X’d

1.21.81.151.1XdX+

MotorCompensador Sincrono

PolosSalientes

Polo Lisos


Análisis de fallas desbalanceadas Usando CSFallas y conexiones de las redes de secuencia


Componentes simétricas y protección

En las fallas a tierra siempre están presentes las componentes de secuenciaCero (3V0) y (3Io). Estas pueden ser medidas:

-Sumando las corrientes de fase (Comentario en Pizarra)

-Sumando las tensiones (delta Abierto) (comentario en pizarra)

Las corrientes y tensiones de secuencia negativa pueden obtenerse a través de filtros que veremos mas adelante.


Componentes simétricas y protección

Equipo Aplicación Cantidades de secuencia q usa

50N/51N Sobrecorriente a tierra 3Io59N Sobretensión de tierra 3Vo67N Direccional a tierra Io & Io, Vo &Io ó V2I221N Distancia Io, Vo, V1, V287L Diferencial de línea K1 I1 + K2 I2 + Ko Io

etc

Contenido


Principios de operaciPrincipios de operacióón de los reles de proteccin de los reles de proteccióónn

El principio de operación de los relés de protección se basa en:

- Nivel

- Magnitud

-Diferencia de corrientes

-Angulo de Fase

-Impedancia (Distancia)

-Hilo Piloto

- Armónicos y Frecuencia


DETECCION DE FALLAS

1.- Detección de Niveles

Este es el principio de operación mas simple que existe.

El nivel por encima del cual el relé Opera es conocido como el Pickup

La característica de operación de un relépuede ser representado como una curva del tiempo de operación del relé & el valor medido sobre el arranque (Pickup)


DETECCION DE FALLAS

2.- Por Comparación de Magnitudes

Este es el principio de operación es basado en la comparación de una ó mas cantidades de operación.

Este principio es usado en unidades de Generación ó líneas paralelas de transmisión.


DETECCION DE FALLAS

3.- Diferencial

Este principio de operación se basa en la comparación de dos o mas cantidades.

Es mas sensible y no requiere mucha coordinación


DETECCION DE FALLAS

4.- Comparación de Angulo de Fase

Este tipo de protección compara el ángulo de fase entre dos cantidades AC. El ángulo de fase es usada para determinar la direccionalidad de una corriente con respecto a una cantidad de referencia.


DETECCION DE FALLAS

4.- Medición de Impedancia (Distancia)

Este tipo de protección es uno de los principios mas usados, se basa en la comparación de la corriente local y tensión local, esto en efecto es la medición de una impedancia vista por el relé desde su ubicación.


DETECCION DE FALLAS

5.- Hilo Piloto (Pilot)

Es basado en la información obtenida por un relé en una ubicación remota. La información es usualmente (No siempre) en forma de contactos. La información es enviada a través de una canal de comunicación usando Power Line Carrier (PLC), microondas ó circuitos telefónicos.

6.- Frecuencia

La frecuencia de operación del Sistema es de 60Hz. Cualquier desviación de este valor indica que existe un problema ó es inminente. La frecuencia puede ser medida circuitos filtro ó muestreos especiales con técnicas digitales. Los relés que miden frecuencia pueden ser usados para tomar acciones correctivas que pueden restablecer la frecuencia en el sistema.

Capitulo IIIProtección de Sistemas de Potencia



Capitulo 3Protección de sistemas de

distribución (Fusibles y relés de sobrecorriente, seccionalizadores)

Contenido

1. Fusibles2. Relés de sobrecorriente: Característica ANSI é IEC3. Seccionalizadores4. Coordinamiento de una red de distribución5. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro

aterrado y aislado

Contenido1. Fusibles 2. Relés de sobrecorriente: Característica ANSI é IEC3. Seccionalizadores4. Coordinamiento de una red de distribución Radial5. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro aterrado y

aislado

FUSIBLESFUSIBLES

El elemento mas simple de protecciEl elemento mas simple de proteccióónn

Tipos•Fusible de Distribución ó CUTOUTS•Fusible limitador de corriente•Fusible de material sólido•Fusible electrónico

FUSIBLESFUSIBLES

Fusible de Distribución ó CutOutsEs el tipo mas usado1. Cuando se funde se produce un arco2. El tubo de expulsión emite gases desionizantes3. Los gases son expulsados del tubo y la corriente es

interrumpida por cero

FUSIBLESFUSIBLES

Fusible de Distribución ó CutOutsNota importante : la corriente es interrumpida por cero. Existe TRV

FUSIBLESFUSIBLES

Fusible limitador de corriente

Este tipo de fusible elimina la falla rápido, forzando a la corriente a que sea cero.

1.El elemento fusible esta compactado con un tipo de arena especial2.La arena confina al arco a una pequeña área3.Se producen alta presiones y altas resistencias4.La alta resistencia obliga a la corriente a que disminuya a cero.

El propósito de este fusible es interrumpir altas corrientes, no esta diseñado para interrumpir corrientes de sobrecarga de baja magnitud

FUSIBLESFUSIBLES

Fusible limitador de corriente

FUSIBLESFUSIBLES

Características de los fusibles

Tiempo

Corriente “Minimun melt time”Tiempo de fusión mínimo

“Total clearing time”Tiempo total de aclaramiento

FUSIBLESFUSIBLES

Selección de los fusibles

Para seleccionar un fusible se debe considerar lo siguiente•La tensión de operación•Los tiempos de fusión “melt time”•La corriente de carga nominal•Cold load pickup

FUSIBLESFUSIBLESSelección de los fusibles

La figura muestra un equivalente rms de la corriente de carga fría (Cold load pickup) y la corriente de magnetización de la corriente nominal de una transformador que alimenta cargas residenciales (En USA).Los puntos 6x 3x 2x corresponden acargas industriales.Se muestra también la relación corriente de carga a corriente de falla ( fuente). Fuentes de potencia de cortocircuito tendrá menores ratios (Iload/Iflt).

Contenido1. Fusibles 2. Relés de sobrecorriente: Característica ANSI é IEC3. Seccionalizadores4. Coordinamiento de una red de distribución Radial5. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro aterrado y

aislado

RelReléé de sobrecorrientede sobrecorriente

Como nacióRelé Electromecánico


Características IEC y ANSI

Normalmente Inversa IECNormal Inverse IEC

Muy Inversa IECVery Inverse IEC

Extremadamente Inversa IECExtremely Inverse IEC

Inversa de larga duración IECLong time Inverse IEC


Características IEC y ANSI


Características IEC y ANSI (USOS)

Uso exclusivo en distribución, coordina con fusible,

reclosers, etc

DistribucionExtremadamente InversoExtremely Invers

Excelente característica para uso de sobrecorriente a tierra.

Coordina con fusibles

TransmisiónSubtransmisión

Distribución

Muy InversoVery Inverse

Protección de fase y tierra en donde se necesita asegurar la selectividad de la protección


Distribución

Normalmente InversoInverse

Se usa si la impedancia de fuente es variable


Distribución

Tiempo Definido

Característica única de aplicación

Área de aplicaciónCaracterística


Características IEC y ANSI (USOS)

Contenido1. Fusibles 2. Relés de sobrecorriente: Característica ANSI é

IEC3. Seccionalizadores4. Coordinamiento de una red de distribución Radial5. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro

aterrado y aislado

SeccionalizadoresSeccionalizadores

Los seccionalizadores son dispositivos de protección, que aíslan la zona afectada, no teniendo capacidad de interrupción de las corrientes de falla, quedando esta función delegada en interruptores o reconectadotes asociados al seccionalizador. Dentro de las características generales pueden dividirse dos tipos de sistema de cuenta :

•Pasaje de corriente de falla•Ausencia de tensión.

Por su principio de funcionamiento, permiten generar un “eslabón”en la cadena de coordinación, sin necesidad de adicionar tiempos de coordinación.


IEC3. Coordinamiento de una red de distribución Radial4. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro

aterrado y aislado

Coordinamiento de una red radialCoordinamiento de una red radial

Dada una red de distribución radial como la mostrada1- Información necesaria para analizar la red


1- Información necesaria para analizar la red- Tensión nominal del sistema- Corriente de cortocircuito trifásico y monofásico (máximo

y mínimo) en punto de conexión al sistema- Tipos de fusibles a usarse- Tiempo de despeja máximo de falla en el punto de

conexión a la red


Selección de un fusible adecuado- Tensión nominal del sistema- Corriente de carga- Curva de Cold load pickup- Curva de daño del transformador


Selección de un fusible adecuado- Tensión nominal del sistema- Corriente de carga- Curva de Cold load pickup- Curva de daño del transformador

Cold Load Pickup

Corriente

Tiempo Daño de Trafo

Fusible


Coordinamiento de un transformador con Fusibles.

Cold Load Pickup

Corriente

Tiempo

Daño de Trafo

Fusible Rápido

Fusible Lento


Ajuste de un recloser ó relé de sobrecorriente

1 Determinar la mínima corriente de operación del relé ó Recloser(pickup ó arranque)

Para fases- Ajustar al 50% ó menos de la mínima corriente de falla en el

extremo remoto del elemento protegido.- Verificar que sea mayor al 200% de la máxima corriente de carga

del elemento protegido.- Ajustar el elemento instantáneo (100ms) El valor de ajuste tiene

que ser menor que la corriente máxima de fallas local pero mayor que 1.25 veces la máxima corriente en la ubicación del primer equipos de protección aguas abajo.


Ajuste de un recloser ó relé de sobrecorriente

1 Determinar la mínima corriente de operación del relé ó Recloser(pickup ó arranque)

Para tierra- Ajustar al 50% ó menos de la mínima corriente de falla monofásica

en el extremo remoto del elemento protegido.- Ajustar al 33% o menos de la máxima corriente de carga.- Ajustar el elemento instantáneo (100ms) El valor de ajuste tiene

que ser menor que la corriente máxima de fallas local pero mayor que 1.25 veces la máxima corriente en la ubicación del primer equipos de protección aguas abajo.


Coordinamiento del Recloser con los fusiblesPara mejorar el coordinamiento se usa reclosers

R


Coordinamiento entre un fusible y un recloser- Falla transitoria (Fuse Saving)- Falla Permanente

Corriente

Tiempo

R

Iccm

ín

Iccm

áx


Coordinamiento del Relé con los Reclosers y fusibles

R


Coordinamiento entre fusibles, reclosers y Relés





0.3


Coordinamiento Recloser con un Seccionalizador


– Seccionalizador vs Reconectador:

Para los seccionalizadores de tensión, el modo de operación genera una selectividad diferente de la que normalmente es analizada cuando se esta con equipamiento amperométrico.

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4


Suponiendo la falla transitoria, la operación del sistema será :

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

Equipamiento abierto

Equipamiento cerrado

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

Pasado el tiempo Ta en los seccionalizadores


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

Pasado el tiempo Tc1 en los seccionalizadores

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


Suponiendo la falla no transitoria, la operación del sistema será ( suponiendo 1R+2L):

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F




R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



‘

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



Equipamiento abierto y bloqueado


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



‘

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F




R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F



R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

Pasado el tiempo de la primera lenta


R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

R

SV 1 SV 2

SV 3 SV 4

F

Pasado el tiempo de la segunda lenta



IEC3. Coordinamiento de una red de distribución Radial4. Fallas a tierra en redes de distribución con neutro

aterrado y aislado

Fallas a tierra en redes de distribuciFallas a tierra en redes de distribucióónn

Aterramiento de la red de distribución

Las redes de distribución pueden ó no estar aterradas. Dependiendo del tipo de aterramiento se clasifican en:-Sistemas no aterrados-Sistemas solidamente aterrado-Sistemas aterrados a través de una impedancia.


Comparación de los métodos de aterramiento


Sistemas solidamente aterrados

Vr

Vs

Vt

IrIs

It

Vr

Vs

Vt

IrIs

It

Sistema Normal Sistema Con falla

Vts


Sistemas solidamente aterradosPolarización del relé de falla a tierra

Vr

Vs

Vt

IrIs

It

Vr

Vs

Vt

Ir

Is

It

Sistema Normal Sistema Con falla Resistiva

Vts

3Vo

3Io


Sistemas solidamente aterradosPolarización del relé de falla a tierra

Vr

Vs

Vt

IrIs

It

Vr

Vs

Vt

Ir

Is

It

Sistema Normal Sistema Con falla Inductiva

Vts

3Vo

3Io


Sistemas no aterrados ó con conexión Δ

La mayor parte de la red de distribución de lima opera de esa forma

Sistema Normal

Vr

VsVt

Ir

Is

It

Sistema Con falla

Vr

VsVt

Ir

Is

It

3Vo


Sistemas no aterrados ó con conexión Δ

Aportes de corriente

YnD


Como se calcula la dirección

Uno forma de determinar la dirección es usando la potencia

3Vo

3Io L

3Io R

3Io C

En sistemas solidamente aterradosPo = -- 3Vo 3Io Cos(< Vo,Io)Po > 0, falla hacia delantePo < 0, falla hacia atrás


Como se calcula la dirección

Uno forma de determinar la dirección es usando la potencia

3Vo

3Io L

3Io R

3Io C

En sistemas solidamente aislados (ΔΔ)Qo = 3Vo 3Io Sen(< Vo,Io)Qo > 0, falla hacia adelanteQo < 0, falla hacia atrás

Capitulo IVProtección de Sistemas de Potencia


sobrecorriente)- Protección de líneas de transmisión (Distancia)- Esquemas de Teleprotección- Protección de transformadores de potencia- Protección de generadores

Capitulo 4Protección de líneas de

Transmisión

Contenido

1. Protección de líneas de Transmisión2. Protección de distancia

Contenido

1. Protección de líneas de Transmisión2. Protección de distancia

ProtecciProteccióón de ln de lííneas de Transmisineas de Transmisióónn

Protección de líneas de acuerdo a su costo

Protección de líneas en orden ascendente de costo y complejidad•Fusible•Sobrecorriente Instantáneos•Sobrecorriente temporizado•Relé direccional•Relé de distancia•Protección con hilo Piloto (Pilot protection)


Selección de un esquema de protección

La selección de un esquema de protección de líneas de transmisión depende de muchos factores.

•El SIR (Source impedance ratio)

•La criticidad de la línea

•El tipo de configuración (radial, anillo, etc)


La impedancia de fuente y el SIR

El SIR (Source Impedance ratio) es la relación entre la impedancia de fuente y la impedancia de línea

Zfuente Zlínea

Línea

Fuente

ZZSIR =


Criticidad de la línea

Líneas Criticas• Líneas cercanas a gran generación• Líneas de interconexión• Líneas que alimentan a grandes

cargas ó grandes clientes


Clasificación de líneas de acuerdo al SIR

Clasificación de las líneas de Transmisión Según el SIR

Línea

Fuente

ZZSIR =

Líneas Cortas : SIR > 4Líneas Medianas : 0.5 < SIR < 4Líneas Largas : SIR < 0.5


Protección de líneas de acuerdo al SIR

Esquema de protección de líneas según el SIR

Líneas Cortas Diferencial de líneaComparación de faseDistancia (POTT)Comparación direccional

Líneas Medianas Comparación de faseComparación direccionalDistancia (POTT, PUTT, unblocking)Distancia escalonadaSobrecorriente direccionalCorriente diferencial

Líneas Largas Comparación de faseComparación direccionalDistancia (POTT, PUTT, unblocking)Distancia escalonadaSobrecorriente direccional

Contenido

1. Protección de líneas de Transmisión2. Protección de distancia3. Protección diferencial de línea

ProtecciProteccióón de distancia n de distancia óó ImpedanciaImpedancia

Principio de operación

Z = cte

R1

Fallalé

lélé Z

IVZ ==

Re

ReRe

Se basa en el principio de medición de la impedancia

La impedancia esta relacionada con la ubicación de la falla

21

Zfuente ZlíneaIrelé

Vrelé

Falla

21


Vrelé

Falla

Protecciones de distanciaProtecciones de distanciaConexionado y simbologConexionado y simbologííaa


Principio de operación

primprim

prim ZUUII

Zsec

secsec /

/=

Si el TC : 600 A/1 y el TT : 220kA/100 V

21


Vrelé

Falla

21


Vrelé

Falla


Principio de medición

FallalínealíneaFallalé

lélé RjXRjXRZ

IVZ ++=+===

Re

ReRe

(Rlínea; Xlínea)

R

X

(Rlínea + Rfalla +; Xlínea)



R

X

Mho

R

X

Offset Mho

R

X

Cuadrilateral

R

X

R

X

Lenticular



ZrZsc’

Zsc



R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU


R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

El relé Mho

• Su principio de operación se basa en comparadores

• Tradicionalmente eran los mas rápidos• No miden la impedancia de la falla.• Usan polarización directa y cruzada• Tienen una característica dinámica en

polarización cruzada.• El alcance Resistivo es limitado por el

alcance Reactivo


R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

El relé Mho




alcance Reactivo• El relé Mho compara el ángulo entre

(Z.I – V) y Vp


R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

R

X

ϕϕ

Irelé

.Zaj

uste

Urelé

ΔU

ΔU

El relé Mho




alcance Reactivo• El relé Mho compara el ángulo entre

(Z.I – V) y Vp


El relé Mho


El relé Mho


El relé Cuadrilateral

• Requiere de cuatro comparadoresUn comparador de reactanciaUn comparador de resistencia (+)Un comparador de resistencia (-)Un comparador direccional

• Tradicionalmente eran mas lentos• Son sensibles al comportamiento del

flujo• Tienen mejor alcance resistivo.• Con la tecnología actual son tan

rápidos como los relés Mho.• Algunos relés compensan la carga

haciendo que el alcance resistivo no tenga limites.

R

X

R

X


Que usamos? Mho / Cuadrilateral

Líneas Cortas


Que usamos? Mho / Cuadrilateral

Líneas largas


Escalonamiento de los relés de distancia

600ms

300ms

Z1, t1

Z2, t2

Z3, t3

Zr, tr


Escalonamiento de los relés de distancia


¿Qué miden las unidades de medida?Las unidades de medida realizan dos tipos de medida:Lazo fase-fase (Fallas bifásicas, fallas trifásicas)Lazo fase-tierra (Fallas monofásicas, fallas bifásicas a tierra y trifásicas a tierra)

El lazo fase-fase

21

21

phph

EphEph

phph

phphphph II

UUI

UZ

−−

== −−

−

−−

El lazo fase-tierra

EEph

EphEph IkI

UZ

−= −

−


Protección Conmutada y No conmutada

Va Vb Vc

IaIbIc

Z = V/ITrip

La protección conmutada era usado tradicionalmente debido al elevado costo de los relés. Requeria el uso de unidades de arranque para seleccionar la fase fallada.

Unidad deMedición

Unidadarranque


Protección Conmutada y No conmutada

La zona de arranque podía ser por corriente, corriente y tensión ópor impedancia.

Zona de arranque


Protección No conmutada

A/D

Va Vb Vc

IaIbIc

R-NS-NT-NR-SS-TT-R

Trip

La protección no-conmutada es posible con relés numéricos, no se requiere de unidades de arranque, las 6 unidades de medida son calculos que realiza un procesador

6 unidades demedida

ConversorAnálogo Digital


Que es el factor de compensación de tierra KE ó Ko

Va = V1 + V2 + V0V1 = I1 Zl1 + V1fV2 = I2 ZI1 + V2fV0 = I0 Zl0 + V0f

Va = I1 Zl1+ I2 Zl1+ I0 Zl0 +(V1f+V2f+V0f)

V1f + V2f+ V0f = 0 (punto de falla)Va = Zl1 (I1+I2) + Io Zl0

Ke = (Zo – Z1)/(3Zl1)

Va = Zl1 (I1 + I2 + Io) + Io(Zl0-Zl1)

Va = Zl1 Ia + 3Io Ke Zl1

Zl1 = Va /(Ia + Ie Ke)Si Ia = Ie

Zl1 = Va/(Ia (1+ke))

• Aportes intermedios en el extremo remoto ('infeed').• Resistencia de arco.• Acoplamiento mutuo.• Corriente de inserción ('inrush').• Transformadores de medida.• Líneas sin transposición de fases.


Errores de MedidaErrores de Medida


El efecto Infeed

La impedancia vista de una falla se aleja debido al efecto infeed

V1 = I1*Z1 + I2*Z2ZAPARENTE = V1 / I1 = Z1 + Z2 * (I2 / I1)

K = (I2 / I1): Factor "Infeed"


La resistencia de arcoLa resistencia de arco se determina de acuerdo a la formula de Warrington


La resistencia de falla


La resistencia de falla :Errores de Sobre alcance


La resistencia de falla :Errores de Subalcance


El efecto de la carga: Subalcance y Sobrealcance

En sentido de flujo de potenciaInfluye sobre la impedancia vista por el rele


El efecto de la impedancia Mutua

Cuando existen líneas paralelas, se produce el fenómeno de acoplamiento mutuo













Capitulo VProtección de Sistemas de Potencia


sobrecorriente)- Protección de sistemas con doble alimentación (reles de

sobrecorriente direccional)- Protección de líneas de transmisión (Distancia)- Esquemas de Teleprotección- Protección de transformadores de potencia- Protección de generadores

Capitulo 6Esquemas de Teleprotección

Contenido

1. Medios de Comunicación2. Esquemas Permisivos de Distancia3. La Comparación Direccional4. El fenómeno de inversión de Corriente

Contenido


Esquemas de TeleprotecciEsquemas de Teleproteccióónn

Medios de Comunicación

Los medios de comunicación usados para los esquemas de teleprotección son:•Hilo Piloto•Microondas•Radio•Onda Portadora (90% usado en Peru)•Fibra Optica•Celular, etc.

Esquemas de TeleprotecciEsquemas de Teleproteccióónn

Medios de Comunicación

El medio de comunicación mas usado en el Perú es la Onda Portadora. Estos presentan problemas cuando la falla se produce en la fase en la cual se encuentran instaladas las trampas de onda.

La fibra óptica es el medio mas confiable de comunicación, no solo es usado para teleprotección sino también para aplicaciones en comunicaciones.

Contenido


Esquemas de TeleproteccionEsquemas de Teleproteccion

Sin esquema de teleprotección no se cubre el 100% de fallas en la línea

Esquemas Permisivos de TeleprotecciEsquemas Permisivos de Teleproteccióónn

Direct Transfer Trip (DTT)

Cuando el relé de protección detecta una falla en zona1, envía una señal de disparo directo al extremo opuesto de la línea.Solo es recomendable en líneas que terminan en carga o transformadores.


Permisive Underreach Transfer Trip (PUTT)

• En el esquema PUTT, la señal permisiva es enviada en Zona1• Si el relé detecta una falla en Zona2 y recibe la señal permisiva,

actúa en tiempo de zona1.


Permisive Underreach Transfer Trip (PUTT)


Permisive Overreach Transfer Trip (POTT)

• En el esquema POTT, la señal permisiva es enviada en Zona2• Si el relé detecta una falla en Zona2 y recibe la señal permisiva,

actúa en tiempo de zona1.





• Cuando se usa un esquema POTT, la zona reversa o zona de arranque debe cubrir a la zona de sobrealcance del extremo opuesto.

Contenido



Comparación direccional usando reles direccionales

• Este esquema debe existir siempre debido a que no todas las fallas a tierra son detectadas por los reles de distancia.

Contenido


El fenEl fenóómeno de inversimeno de inversióón de corrienten de corriente

Generalidades

• Este fenómeno se presenta en líneas de transmisión con circuitos paralelos

• Cuando se presenta NO simultaneidad en la operación de los interruptores de la línea fallada

• El efecto de la corriente reversa se presenta en la línea sana• Este fenómeno puede causar una falsa operación en el peor de

los casos


Situacion inicial luego de una falla

AA

- -

- -

BB

CC DD

LLíínea 1nea 1

LLíínea 2nea 2

IICC IIDD


Luego se produce la apertura del interruptor B

AA

- /

- -

BB

CC DD

LLíínea 1nea 1

LLíínea 2nea 2

IICC IIDD


• Una vez que se presenta la falla, la corriente de falla por la línea sana fluye desde el interruptor C a el interruptor D

• El interruptor B abre antes que el interruptor A debido a:

–– La corriente de falla es mas altaLa corriente de falla es mas alta

–– La falla esta fuera del alcance de la zona de La falla esta fuera del alcance de la zona de bajoalcance de la proteccibajoalcance de la proteccióón en An en A

• La corriente de falla en la línea sana se invierte.


• Este fenómeno puede causar problemas en esquemas de protección de comparación direccional

• Esquema Permisivo:

–– Interruptor B cerradoInterruptor B cerrado–– ProtecciProteccióón en C ve la falla hacia delante, no abre su n en C ve la falla hacia delante, no abre su

interruptor debido a que no recibe seinterruptor debido a que no recibe seññal del extremo al del extremo remotoremoto

–– Opera la protecciOpera la proteccióón en B, abre el interruptor Bn en B, abre el interruptor B–– ProtecciProteccióón en D ve la falla hacia delante enviando sen en D ve la falla hacia delante enviando seññal al

al extremo remoto (proteccial extremo remoto (proteccióón en C)n en C)


• Esquema Permisivo–– Si la protecciSi la proteccióón en C no ha cambiado la direccin en C no ha cambiado la direccióón y los n y los

tiempos del canal de comunicacitiempos del canal de comunicacióón no son los n no son los adecuados las protecciones C y D ven la falla en la adecuados las protecciones C y D ven la falla en la direccidireccióón correcta y abren sus interruptores n correcta y abren sus interruptores respectivos.respectivos.

–– Sale de servicio la lSale de servicio la líínea nea SANASANA–– Para lPara lííneas paralelas cortas se presenta la peor neas paralelas cortas se presenta la peor

condicicondicióónn–– Para lPara lííneas compensadas en serie el problema es aneas compensadas en serie el problema es aúún n

mas gravemas grave–– Las protecciones de lLas protecciones de líínea que se utilicen en nea que se utilicen en

configuraciconfiguracióón de ln de lííneas paralelas deben poseer un neas paralelas deben poseer un bloqueo para el efecto de la inversibloqueo para el efecto de la inversióón de corrienten de corriente

Capitulo VIProtección de Sistemas de Potencia



sobrecorriente direccional)- Protección de líneas de transmisión (Distancia)- Esquemas de Teleprotección- Protección de transformadores de potencia- Protección de generadores

Capitulo 6Protección de Transformadores

de potencia

Contenido

1. Tipos de fallas2. Protección diferencial3. La protección de sobrecorriente4. La protección Buchholz5. La protección de sobrecarga.

Tipos de FallasTipos de Fallas

Las fallas que se pueden producir en un transformador de potencia son:•Contorneo de aisladores de los bujes (externas al tanque)•Fallas de los bobinados a tierra•Cortocircuito entre espiras•Falla del nucleo del transformador•Falla en el tanque

Las fallas fase-fase dentro de un transformador son raras debido a la contrucción del transformador.

ProtecciProteccióón Diferencial (87T)n Diferencial (87T)

La protección diferencial compara la corriente que entra y sale de la zona protegida, y opera cuando la corriente diferencial excede un valor predeterminado.

Falla Externa

Falla Externa


Caracteristica del relé DiferencialI1 I2

Irestriccion

Idife

renc

ial

Idiferencial = |I1 + I2|

Irestricción = |I1|+ |I2|Zona deOperación


Protección diferencial a tierra en un Auto-Transformador

Protección diferencial de fases y tierra en un Auto-Transformador

PP|rotecciroteccióón Diferencial (87T)n Diferencial (87T)

Protección diferencial en un transformador Delta – Estrella

ProtecciProteccióón de Sobrecorrienten de Sobrecorriente

La protección de sobrecorriente se usa como un respaldo ante fallas propias del transformador y fallas externas.

51N 5051

87TN

87T

51N

5051

5051

AT1

AT2

MT


La curva de operación de los relés de sobrecorriente debe encontrarse siempre por debajo de la curva de daño de los transformadores, y por encima de la curva de protección de sobrecorriente se usa como un respaldo ante fallas propias del transformador y fallas externas.


En la figura se muestra un coordinamiento de los reles de sobrecorriente de un transformador de potencia.

ProtecciProteccióón Buchholzn Buchholz

La falla del aislamiento de los bobinados puede resultar en alguna forma de arco dentro de la cuba de aceite del transformador, lo cual descompone el aceite del transformador en Hidrogeno, Acetileno, metano, etc.Un arco severo puede

generar una cantidad de gases, esto puede ocurrir de una forma tan violenta que origina que el aceite se expanda del tanque al conservador.

ProtecciProteccióón Buchholzn Buchholz

El relé Buchholz puede detectar detectar gases y flujo de aceite, este relé esta instalado en el tubo entre el conservador y la cuba principal.

ProtecciProteccióón de Sobrecargan de Sobrecarga

El transformador es diseñado para operar continuamente a una temperatura maxima basada en una temperatura ambiente asumida. La sobrecarga no sostenida es permisible para estas condiciones.Cuando se produce una sobrecarga se debe tener presente sobretodo la temperatura interna del transformador (aciete y bobinados).En el cuadro se muestra como afecta la temperatura de aceite a la vida util del mismo

ProtecciProteccióón de Sobrecargan de Sobrecarga

La temperatura de bobinados es medido a través de un relé de imagen termica.

Los valores tipicos de alarma y disparo del relé de temperatura de aceite y temperatura de boninado son:

Alarma temperatura Bobinado = 100 °CDisparo temperatura Bobinado = 120 °CAlarma temperatura Aceite = 95 °CDisparo temperatura Aceite = 105 °C

Protección de Sistemas de Potencia

Capitulo VII



sobrecorriente direccional)- Protección de líneas de transmisión Distancia- Esquemas de Teleprotección- Protección de transformadores de potencia- Protección de generadores

Capitulo 7Protección de Generadores

Contenido

1. Protección Para fallas en la maquina (fallas eléctricas y fallas mecánicas)

2. Protección Para fallas externas3. Esquemas de protección de generadores

Proteccion de GeneradoresProteccion de Generadores

El generador núcleo del sistema de potencia.

Una unidad de generación moderna:Es un sistema complejo que comprende los devanados del estator y su transformador asociado, el rotor con su devanado de campo y la excitatriz, la turbina, etc.

Se pueden presentar fallas de diversas dentro de un sistematan complejo como éste, por lo que se requiere un sistema de protección muy completo cuya redundancia dependerá de consideraciones económicas, del tamaño de las máquinas y de su importancia dentro del sistema de potencia.

Contenido



ProtecciProteccióón Para fallas en la maquinan Para fallas en la maquina

Existen dos tipos de fallas:-Fallas Eléctricas:

Se da en devanado del estator, en el devanado del rotor, o en la excitación.

-Fallas MecánicasSe da por temperatura o por vibración.Por temperatura: por falla en los devanados, en el rotor o en los cojinetes, debido a sobrecarga, refrigeración, deterioro o daños mecánicos.Por vibración: debido a desbalance mecánico o eléctrico.


A) Protección contra fallas en el arrollamiento del estator.(Rele diferencial – 87G)

FALLAS ELECTRICAS

El relé diferencial es usado generalmente para protección defallas de fase de los devanados del estator, a menos que la máquina sea muy pequeña.El relé diferencial detecta fallas trifásicas, fallas bifásicas, fallas bifásicas a tierra y fallas monofásicas a tierra, éstas últimas dependiendo de qué tan sólidamente esté aterrizado el generador.El relé diferencial no detecta fallas entre espiras en una fase porque no hay una diferencia entre la entrada y la salida de corriente de la fase, por lo cual se debe utilizar una protección separada para fallas entre espiras.


A) Protección contra fallas en el arrollamiento del estator.(Rele diferencial – 87G)

FALLAS ELECTRICAS


B) Protección contra fallas entre espiras.(Fase Partida)

FALLAS ELECTRICAS

Para fallas entre espiras no hay una diferencia de corriente en los extremos de un arrollamiento con espiras en corto.

Esta protección es propia de los generadores de turbinas hidráulicas, dado que las bobinas de los grandes generadores de turbinas a vapor, por lo general sólo tienen una espira.Si el devanado del estator del generador tiene bobinas multiespiras y dos o más circuitos por fase, el esquema de relé de fase partida puede ser usado para dar protección de fase partida.

El reléusado en este esquema usualmente consiste en un relé de sobrecorriente instantáneo y un relé de sobrecorriente de tiempo inverso.



FALLAS ELECTRICAS



FALLAS ELECTRICAS

Otras formas es comparar las tres corrientes para detectardesbalances.

Desbalances Secuencia negativa.

Si se usa reles de secuencia negativa se debe coordinarconsiderando fallas externas al generador.


C) Protección contra fallas a tierra del estator.

FALLAS ELECTRICAS

En una puesta a tierra de resistencia baja, dicha resistencia esseleccionada para limitar la contribución del generador a fallas a tierra monofásicas en sus terminales a un rango de corriente entre 200 A y 150 % de la corriente total de carga.Con este rango de corrientes de falla disponibles, el relé diferencialalcanza a dar protección de fallas a tierra. Sin embargo, como la proteccióndiferencial no brinda protección de falla a tierra para todo el devanado de fase del estator, es una práctica común utilizar, como complemento, una protección sensible para fallas a tierra.; esta protección puede se puede implementar con un relé direccional de corriente polarizado o con un relé de sobrecorriente temporizado.



FALLAS ELECTRICAS

Cuando se usa un relé de sobrecorriente direccional, la bobina de polarización es energizada desde un transformador de corriente en el neutro del generador mientras que la bobina de operación está en el esquema de la protección diferencial del relé.



FALLAS ELECTRICAS

Cuando se usa un relé de sobrecorriente, se conecta un relé sensible de sobrecorriente temporizado en el neutro del esquema diferencial.En ambos casos, la protección de sobrecorriente a tierra solo detecta fallas cubiertas por la zona diferencial, de allíque se elimina la necesidad de coordinarel tiempo del relé con otros relés del sistema.



FALLAS ELECTRICAS

Otros tipos de protección contra falla a tierra son:Relé de tensión para falla a tierra del generador

Cuando se utiliza el puesta a tierra de alta impedancia para el neutro delgenerador la corriente de falla a tierra es limitada a valores que el relé diferencialno detecta. Por esto se usa protección de falla a tierra principal y de respaldo.



FALLAS ELECTRICAS

Otros tipos de protección contra falla a tierra Son:Relé de sobrecorriente temporizado


D) Protección contra fallas a tierra del rotor

FALLAS ELECTRICAS

Normalmente el sistema de corriente continua que alimenta el rotor está aislado de tierra lo cual implica que una primera falla a tierra no origina ningún efecto dañino, sin embargo, ésta debe ser detectada y aislada dado que una segunda falla podría cortocircuitar una parte del campo, produciendo vibraciones muy perjudiciales para el generador por los desequilibrios que se presentan en el flujo del entrehierro.

1era formaInyección de una señal de corriente alterna por medio de un circuito adicional puesto a tierra por un extremo, de tal modo que la corriente sólo podría circular por este circuito cuando ocurra una falla a tierra, yésta a su vez, activaría el relé de protección


D) Protección contra fallas a tierra del rotor

FALLAS ELECTRICAS

2da formaDivisor de tensión formado por dos resistencias lineales y una no lineal, cuyo valor resistivo varía con la tensión aplicada. Existe un punto ciego por el divisor de tensión.Algunos fabricantes no utilizan la resistencia no lineal, sino un pulsadormanual que cortocircuita parte de una de las resistencias y para detectar fallas en el punto ciego es necesario presionar el pulsador periódicamente.


E) Protección contra perdida de excitación

FALLAS ELECTRICAS

Cuando un generador sincrónico pierde la excitación, funciona como ungenerador de inducción que gira por encima de la velocidad sincrónica.Cuando el generador pierde la excitación, extrae potencia reactiva del sistema, aumentando de dos (2) a cuatro (4) veces la carga nominal del generador. En consecuencia, la gran carga reactiva demandada al sistema en estascircunstancias, puede causar una reducción general de la tensión, que a su vez puede originar inestabilidad.



FALLAS ELECTRICAS

La excitación se puede perder por:• Circuito abierto del campo• Apertura del interruptor del campo• Cortocircuito en el campo• Mal contacto de las escobillas• Daño en el regulador de tensión• Falla en el cierre del interruptor de campo• Pérdida de la fuente de alimentación de CA (Excitación estática)

La proteccion usada para detectar la perdida de excitacion es:E1) Detección de Mínima Corriente

Consiste en ubicar un relé de baja corriente en el campo o algún relé de tipo direccional. Cuando el relé detecta poca o mínima corriente, conecta una resistencia de descarga en paralelo con el devanado del rotor y apenas se descarga el devanado, abre el interruptor de campo.



FALLAS ELECTRICAS

E2) Rele de impedanciaEste es el método más utilizado para proteger el generador contra pérdida de excitación. Se utiliza un relé de impedancia capacitiva (reléde distancia del tipo Mho off set) para detectar el cambio del punto de trabajo de la máquina. A este relé se le ajustan básicamente dos valores: a y b, los cuales se definen como:

a=Xd’/2; b=XdDonde:Xd’: Reactancia Transitoria de eje directoXd: Reactancia Sincrónica de eje directo


F) Rele de sobreexcitacion

FALLAS ELECTRICAS

El generador debe operar satisfactoriamente con los kVA, la frecuencia y el factor de potencia nominales a una tensión un 5% por encima o por debajo de la tensión nominal. Las desviaciones en frecuencia, factor de potencia o tensión por fuera de estos límites, puede causar esfuerzos térmicos a menos que el generador esté específicamente diseñado para estas condiciones. La sobreexcitación puede provocar estas desviaciones por lo cual los esquemas tienen vigilancia y protección por esto.



FALLAS ELECTRICAS

terminales ocurre cuando la relación entre la tensión y la frecuencia (volts /Hz) aplicada a los terminales del equipo excede el 1,05 p.u. (base generador) para un generador; y el 1,05 p.u. (base transformador) a plena carga o 1,1 p.u. sin carga en los terminales de alta del transformador. Cuando estas relaciones volts/Hz son excedidas, puede ocurrir saturación magnética del núcleo del generador o de los transformadores conectados y se pueden inducir flujos dispersos en componentes no laminados los cuales no están diseñados para soportarlos. La corriente de campo en el generador también puede aumentar. Esto puede causar sobrecalentamiento en el generador o el transformador y el eventual rompimiento del aislamiento.



FALLAS ELECTRICAS

F1) Rele de sobreexcitacion de tiempo fijo:

Se encuentran diferentes formas de protección disponibles. Una forma de protección de tiempo fijo utiliza dos relés, el primer relé es fijado a 118-120% volts/Hz y energiza una alarma y un temporizador que dispara de 2 a 6 seg. El segundo relées fijado a 110% volts/Hz y energiza una alarma y un temporizador que dispara después del tiempo de operación permisible del ajuste de sobreexcitación del primer relé (p.e., 110%) para el generador o el transformador. Este tiempo es típicamente 40 s a 60 s



FALLAS ELECTRICAS

F2) Rele de sobreexcitacion de tiempo inverso:

Se puede utilizar un relé de sobreexcitación con una característica inversa para proteger el generador o el transformador. Normalmente se puede utilizar un mínimo nivel de operación de excitación y un retardo para dar una aproximación de la característica de sobreexcitación combinada para la unidad generador - transformador.


A) Protección contra sobrecalentamiento del estator

FALLAS MECANICAS

En el estator se puede sobrecalentarse por una sobrecarga o falla del sistema de enfriamiento.Para proteger el estator contra sobrecalentamiento se colocan resistencias detectoras de temperatura (RTD) o termopares en diferentes partes del arrollamiento paradetectar los cambios de temperatura.Varios de estos detectores se pueden utilizar con un indicador oregistrador de temperatura, que puede tener contactos para temperaturas máximas y dar alarma.Como complemento se puede usar un relé de imagen térmica conectado al secundario de un transformador de corriente.


B) Protección de imagen termica

FALLAS MECANICAS

Este tipo de relé opera con el principio de integración de la corriente del generador, calculando el efecto de calentamiento debido a lageneración en la máquina (I²R * t). Se debe anotar que esta protección solo detecta sobrecargas reales de la máquina y no operará por problemas térmicos originados por deficiencias en el sistema de refrigeración. Se utiliza en generadores pequeños.


C) Protección de vibraciones

FALLAS MECANICAS

La vibración de la máquina puede ser originada por desbalanceselectromagnéticos, debidos a daños en los devanados del estator o del rotor, a desbalances mecánicos originados por daños en la máquina tales como desprendimientos de partes rotativas y a desajustes mecánicos causados por elementos flojos en la estructura de la máquina o por daños en los cojinetes.Se emplean tradicionalmente dos principios de detección. Los sensores acelerométricos detectan la aceleración de la pieza sobre la cual están instalados mientras que los sensores magnéticos de proximidad miden el movimiento relativo entre dos piezas. Los primeros son más utilizados para las funciones de alarma ydisparo, mientras que los segundos son más empleados para la medida y análisis de las vibraciones, aunque también pueden ser utilizados para protección.

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ProtecciProteccióón contra falla externasn contra falla externas

Estas protecciones protegen al generador contra fallas en la redexterna, que produzcan exigencias térmicas o dieléctricas elevadas y largas, en caso de que el sistema primario de protecciones de la red no actúe por alguna circunstancia.

A) Proteccion contra sobretensionesB) Proteccion contra baja tensionC)Proteccion contra motorizacion o potencia inversaD)Proteccion contra corrientes desbalanceadas del estatorE)Proteccion de respaldo contra fallas externasE.1) Proteccion de distanciaE.2) Proteccion de sobrecorriente con restriccion de tensionE.3) Rele de baja frecuenciaE.4) Proteccion contra perdida de sincronismo


En condiciones normales, los reguladores de tensión asociados con los generadores evitan que se presenten sobretensiones. Por lo tanto, muy a menudo, esta protección se suministra junto con el equipo de regulación de tensión. Si no es así, se dispone de un relé de sobretensión con una unidad retardada que se ajusta al 110% Vn con un retardo entre 1 s y 3 s, así como de una unidad instantánea que se ajusta entre el 130% y el 150% de Vn. Lo más indicado es conectar dicho relé a un transformador de potencial diferente al deregulación de tensión.

A) Proteccion contra sobretensiones


Es adecuado disponer de un relé de protección de baja tensión que desconecte el generador para evitar que los motores de los servicios auxiliares sufran perturbaciones y antes que el nivel de tensión, en el caso de excitación estática, sea insuficiente para la activación de los tiristores. La tensión baja, normalmente no es un problema para el generador en sí mismo, excepto si conlleva una sobrecorriente (falla externa por ejemplo).Este relé deberá dar disparo instantáneo para tensiones inferiores al 60% de la tensión nominal y disparo retardado o únicamente alarma para tensiones entre el 60% y el 90% de la tensión nominal.

B) Proteccion contra baja tension


Para prevenir la motorización del generador se instala un relé de potencia inversa. Un generador se comporta como un motor cuando no recibe potenciamecánica suficiente de la turbina y absorbe potencia eléctrica del sistema.Dependiendo del tipo de turbina se requieren unos porcentajes de potencia inversa para la motorización del generador, así:· Turbina a vapor: 1 - 3%· Turbina a gas: 10 - 50%· Turbina Hidráulica: 0.2 - 3%· Diesel: 25%El daño que puede ocurrir en tales condiciones se relaciona con la turbina y no con el generador o el sistema eléctrico, así:En las turbinas a vapor, la reducción del flujo de vapor reduce el efecto de refrigeración de los álabes de la turbina, presentándose sobrecalentamiento.En las turbinas a gas se requiere una gran potencia para que se produzca la motorización, por lo tanto, la sensibilidad de la protección contra potencia inversa no es muy importante.

C) Proteccion contra motorizacion o potencia inversa


En las turbinas hidráulicas, la motorización del generador puede producir lacavitación de los álabes, especialmente en aquellas que trabajan sumergidas o por debajo del nivel de la descarga.En las máquinas Diesel, durante la motorización se producen grandes esfuerzos en el eje que pueden producir deformaciones permanentes. Además, existe el peligro de incendio o explosión del combustible no quemado.El relé de potencia inversa es un relé de potencia orientado en dirección delgenerador. Normalmente este relé tiene una unidad direccional instantánea que controla una unidad de tiempo inverso o tiempo definido. El ajuste del valor de arranque debe ser el recomendado por el fabricante de la turbina lo mismo que la temporización del relé. Estos valores deben ajustarse de un modo tan sensible, que el relé detecte cualquier condición de potencia inversa.

C) Proteccion contra motorizacion o potencia inversa


Hay varias condiciones del sistema que pueden causar corrientes desbalanceadas en el generador. Estas condiciones producen componentes de secuencia negativa de corriente, las cuales se reflejan en el rotor de la máquina como corrientes de frecuencia doble (120 Hz) en las caras rotóricas, en los anillos de retención del devanado en los bordes de las ranuras, en el devanado amortiguador y en menor grado en el devanado de la excitación. Estas corrientes pueden causar temperaturas altas y posiblemente peligrosas en muy corto tiempo.Es normal tener un protección externa para prever condiciones de desbalance que puedan dañar el generador. Esta protección consiste en un relé de sobrecorriente que responde a las corrientes de secuencia negativa, esta protección utiliza la curva I2² * t según la capacidad de corriente de secuencia negativa (I2) de cada tipo de generador.

D) Proteccion contra corrientes desbalanceadas en el estator


D) Proteccion contra corrientes desbalanceadas en el estator


Los generadores usualmente están provistos de un relé de respaldo que desconectará la máquina cuando el esquema de protecciones externo falle en despejar las fallas. Generalmente se utiliza una de dos alternativas; relés de sobrecorriente controlados por voltaje o relés de distancia. Éstos últimos se utilizan cuando los relés de sobrecorriente controlados por voltaje no brindan suficiente seguridad, como en el caso de generadores con excitación estática, en los cuales la caída del voltaje ocasionada por la falla en terminales del generador, impide que el sistema de excitación suministre suficiente campo para que el generador produzca la corriente de falla que haga operar el relé.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externas


Este relé es usado como respaldo para fallas de fases del sistema.Generalmente el relé de distancia es de característica Mho.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE1) Proteccion de distancia


Existen dos tipos de relés de sobrecorriente utilizados para dar respaldo, un relé de sobrecorriente temporizado con restricción de tensión o un reléde sobrecorriente temporizado con control de tensión. Ambos están diseñados para restringir la operación bajo condiciones de sobrecarga y dar sensibilidad durante la ocurrencia de fallas.En el relé con restricción de tensión, la corriente de arranque varía en función de la tensión aplicada al relé. Para un tipo de relé, con una tensión de restricción cero la corriente de arranque es el 25% del valor de arranque con tensión de restricción del 100%.En el relé con control de tensión, el arranque del relé de sobrecorriente es controlado por un nivel mínimo en un relé de tensión. En niveles de tensión de operación normal el relé de tensión está accionado y restringe la operación del relé de sobrecorriente. Bajo condiciones de falla, el reléde tensión permite la operación del relé de sobrecorriente.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE1) Rele de sobrecorriente con restriccion de tension


E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE1) Rele de sobrecorriente con restriccion de tension


Cuando hay pérdida de generación, la frecuencia baja a valores por debajo de los normales. En general la operación de una turbina del generador a frecuencia baja es más crítica que la operación a frecuencia alta ya que el operador no tiene opción de controlar la acción. De allí que se recomienda protección de baja frecuencia para turbinas de gas o vapor.La turbina es usualmente considerada más restringida que el generador a operar con frecuencia reducida, ya que ésta es la causa de resonancia mecánica en sus álabes. Las desviaciones de la frecuencia nominal pueden generar frecuencias cercanas a la frecuencia natural de los álabes y por lo tanto incrementar los esfuerzos vibratorios. Los incrementos en los esfuerzos vibratorios, pueden acumularse y agrietar algunas partes de los álabes.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE3) Proteccion de baja frecuencia


El generador puede perder estabilidad por: tiempos largos de fallas, baja excitación de la máquina, baja tensión del sistema, alta impedancia entre el generador y el sistema u operaciones de conmutación en alguna línea. Cuando un generador pierde el sincronismo, los picos de corrientes y la operación a frecuencia diferente a la de la red, causan esfuerzos en los devanados, torques de pulsación y resonancia mecánica que potencialmente dañan el generador.Con el fin de minimizar el daño, el generador debe disparar instantáneamente, preferiblemente durante la primera mitad del ciclo de deslizamiento de una pérdida de sincronismo.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE4) Proteccion contra perdida de sincronismo


El relé de pérdida de excitación brinda protección contra la pérdida de sincronismo, pero no detectar la pérdida de sincronismo para todas las condiciones del sistema. se debe suministrar una protección adicional si durante la pérdida de sincronismo el centro eléctrico está localizado en la región entre los terminales de alta tensión del transformador elevador del generador y el generador. Esta protección puede también ser necesaria si el centro eléctrico estáafuera en el sistema y las protecciones sistémicas son lentas o no pueden detectar la pérdida de sincronismo.En lo correspondiente a una pérdida de sincronismo debido a una falla externa, contrario a la creencia intuitiva que los cortocircuitos en la red frenan los generadores, las fallas externas aceleran las máquinas, al perderse la capacidad de transportar energía activa que continua aplicada mecánicamente al generador. Esta situación puede llevar al deslizamiento de polos y a la pérdida de sincronismo.

E) Proteccion de respaldo contra fallas externasE4) Proteccion contra perdida de sincronismo

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Esquemas de proteccion de generadoresEsquemas de proteccion de generadoresConfiguracion Unidad de Generador - Transformador

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